村田汽車和工業(yè)設(shè)備用PoC系統(tǒng)靜噪對策：難點(diǎn)及攻略全解析，別錯(cuò)過

01. 什么是PoC?

PoC是Power over Coax的縮寫，是一種通過在信號電纜上疊加電源實(shí)現(xiàn)無需另外準(zhǔn)備電源專用電纜的傳輸方法。

傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)和PoC之間的區(qū)別

PoC用于汽車和工業(yè)設(shè)備。在汽車中被用于ADAS和環(huán)視攝像頭，有助于簡化布線設(shè)計(jì)和減輕線束的重量；

在工業(yè)設(shè)備中被用于外觀檢查攝像頭等，寬敞的生產(chǎn)線需要較長的電纜，但是通過使用PoC可以減少電纜數(shù)量并簡化布線。

PoC系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

02. PoC所需的電路

PoC多用于SerDes接口，其中串行器和解串器通過同軸電纜連接。

在該同軸電纜上，高頻信號和直流電流疊加在一起。

在這種情況下，將配置偏置T電路，以防止高頻信號串入電源線中，或者直流電流流入解串器中。

偏置T電路中使用了阻斷直流并同時(shí)使高頻通過的電容器，以及阻斷高頻并同時(shí)使直流通過的線圈。

本文中將用于偏置T電路的電容器稱為偏置T電容器。

PoC系統(tǒng)的典型電路構(gòu)成

由于Bias-T電感器的作用是阻止交流電并通過直流電，因此該電感器必須具有高阻抗。如果阻抗過低，則交流信號成分會泄漏到電源線，并且沿同軸電纜傳輸?shù)男盘柍煞謺p。

Bias-T電感器所需的特性：必須具有高阻抗

我們調(diào)查了Bias-T電感器對信號線特性阻抗的影響。將網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到配備了SerDes IC或Bias-T電路的基板上，并通過TDR法測量特性阻抗（下圖）。

測量信號線的特性阻抗，結(jié)果如下圖。傳輸線的特性阻抗會根據(jù)基板的布線設(shè)計(jì)和元件的位置而變動。通過抑制這種變動并使之保持平滑，傳輸特性將得到改善。為了保持平滑，Bias-T電感器的阻抗必須足夠高。因?yàn)槿绻鸅ias-T電感器的阻抗較低，則傳輸線的特性阻抗將下降。下圖(右)顯示了將Bias-T電感器替換為短路片的極端例子?？梢源_認(rèn)特性阻抗從50歐姆迅速變化到0Ω。

測量信號線的特性阻抗

03. Bias-T電路對SI的影響

Bias-T電感器還需有較廣的頻率范圍。

理想的電感器阻抗會與頻率成比例增加，但實(shí)際的電感器卻并非如此。阻抗曲線呈拋物線形。

為了找出PoC用的Bias-T電感器需要在哪個(gè)頻率下具有較高的阻抗，我們在頻率軸上測量了SerDes的信號成分（下圖）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SerDes的信號分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，Bias-T電感器需要在較寬的頻率范圍內(nèi)具有高阻抗。

PoC系統(tǒng)(SerDes)信號頻率成分測量方法及結(jié)果

由于單個(gè)普通電感器不能覆蓋較寬的頻率范圍，因此需要將具有不同自諧振頻率的多個(gè)電感器進(jìn)行組合以覆蓋較寬的頻率范圍。另一方面，為Bias-T開發(fā)的電感器LQW32FT系列單體可覆蓋較寬的頻率范圍，因此可以減少電感器元件的數(shù)量。

用于驗(yàn)證的Bias-T電路的特性

我們確認(rèn)了多個(gè)電感器的組合和針對Bias-T開發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異（下圖）。組合多個(gè)電感器時(shí)，阻抗曲線不穩(wěn)定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時(shí)，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

測量SI

波形完整性的下降是由傳輸線的傳輸特性的劣化所導(dǎo)致的。查看偏置T信號傳輸端的穿透特性S21，可知使用LQW32F系列時(shí)的特性更佳。另外，反射特性S11也在使用LQW32FT系列時(shí)較為良好（下圖）。

信號線透射特性（S21）和反射特性（S11）

04. 電纜對SI的影響

為了確認(rèn)車載同軸電纜的特性對波形的影響，我們讓信號發(fā)生器的信號流過車載同軸電纜并用示波器觀察波形，同時(shí)通過S21測試了電纜的透射損耗特性。測量系統(tǒng)如下圖。

測量系統(tǒng)

更改電纜長度后發(fā)現(xiàn)，電纜越長，高頻波形質(zhì)量下降越明顯（下圖）。這就說明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時(shí)，必須通過包括電纜在內(nèi)的測試系統(tǒng)確認(rèn)S參數(shù)。

電纜的透射損耗特性（S21）

05. 電源噪聲對PoC系統(tǒng)的影響

直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器通常被作為PoC電路的電源IC使用，但是由于直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器在內(nèi)部進(jìn)行高速開關(guān)，因此開關(guān)噪聲可能會成為問題。由直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器引起的開關(guān)噪聲問題會對PoC系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響的事例已經(jīng)得到了確認(rèn)。開關(guān)噪聲可以在差模和共模兩種模式下通過同軸電纜進(jìn)行傳導(dǎo)。

圖片居中使用：

PoC信號在同軸電纜的中心導(dǎo)體和屏蔽層之間以差模方式傳導(dǎo)。在不受外部噪聲影響的情況下，可以保持良好的波形質(zhì)量。但是，如果開關(guān)噪聲進(jìn)入同軸電纜并以差分模式傳導(dǎo)，則波形質(zhì)量可能會下降（下圖）。

開關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

我們確認(rèn)了多個(gè)電感器的組合和針對Bias-T開發(fā)的LQW32FT兩者之間在SerDes信號的SI（Signal Integrity）上是否存在差異。

組合多個(gè)電感器時(shí)，阻抗曲線不穩(wěn)定，因此信號波形受到干擾。另一方面，使用LQW32FT系列時(shí)，信號波形被正常傳輸，未受到干擾。

為了確認(rèn)開關(guān)控制的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器噪聲造成的影響，我們將Bias-T電感器和同軸電纜連接到直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，并用示波器確認(rèn)了其對波形的影響。

此時(shí)，信號發(fā)生源為3Gbps，并且使用了開關(guān)頻率為200kHz的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器。測量系統(tǒng)配置如下圖。

測量開關(guān)引起的電源噪聲對SI的影響

下圖是用示波器觀察到的波形。Bias-T電感器：LQW32FT(10uH+47uH)。觀察到的波形為3Gbps的高頻和200 kHz的低頻疊加后的波形。3Gbps信號的基準(zhǔn)電位以200kHz的周期進(jìn)行變動。變動幅度為約70mV。由于基準(zhǔn)電位的變動可能會對通信產(chǎn)生不良影響，因此我們討論了如何使基準(zhǔn)電位穩(wěn)定。

為了抑制200kHz噪聲，我們在直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器和信號線之間安裝Bias-T電感器的地方添加了100uH電感器LQH3NPH101MME。通過對Bias-T電感器以串聯(lián)方式添加100uH的電感器，可以增加200kHz左右的低頻區(qū)域的阻抗。

通過添加Bias-T電感器來降低開關(guān)噪聲

更改電纜長度后發(fā)現(xiàn)，電纜越長，高頻波形質(zhì)量下降越明顯。這就說明，電纜對SI的影響不容忽視。測試Bias-T電感器時(shí)，必須通過包括電纜在內(nèi)的測試系統(tǒng)確認(rèn)S參數(shù)。

改善后的結(jié)果

接下來，我們考慮開關(guān)噪聲在同軸電纜的中心導(dǎo)體與屏蔽層之間以共模方式傳導(dǎo)的情況。共模噪聲往往會增加輻射噪聲電平，因此開關(guān)噪聲有可能會引起輻射噪聲問題。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

為了測試同軸電纜輻射的噪聲，我們按以下方法連接內(nèi)置直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器的基板和內(nèi)置Bias-T電路的基板，并用同軸電纜將配備Bias-T電路的基板彼此連接，然后用電流探頭測量從同軸電纜輻射的噪聲。由于要用電流探頭夾住同軸電纜，因此檢測到的是共模噪聲。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響及測量方法

我們來看一下測量結(jié)果，分析開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的具體影響。

首先，由于Bias-T電感器預(yù)期可以起到濾波器的作用，因此我們在未安裝電感器（無濾波器）和已安裝電感器（僅電感器）的條件下比較了噪聲測量結(jié)果，但兩者之間幾乎沒有變化。這可能是因?yàn)锽ias-T電感器僅對差模噪聲有效。

接下來，為了抑制沿中心導(dǎo)體與屏蔽層傳導(dǎo)的共模噪聲而添加了共模扼流線圈（CMCC）后，發(fā)現(xiàn)能將噪聲電平抑制5到10dB。

開關(guān)引起的電源噪聲對輻射噪聲的影響

06. 輻射噪聲對策實(shí)例

接下來，我們嘗試使用帶有PoC系統(tǒng)的SerDes測試基板測量輻射噪聲，并采取了靜噪對策。用1.5米的車載同軸電纜連接Tx側(cè)和Rx側(cè)的測試基板，并向Rx側(cè)供電，再測量測試基板工作時(shí)的輻射噪聲。

測試樣品(DUT)：SerDes測試基板

測量輻射噪聲時(shí)，在30MHz至2.5GHz的整個(gè)范圍內(nèi)均確認(rèn)到寬帶噪聲，并且存在超出標(biāo)準(zhǔn)值的頻帶(下圖)。

初始狀態(tài)

為了確定基板上的噪聲源，我們在基板表面進(jìn)行了近磁場分布測量。

在SerDes IC的信號線及IC電源線上觀測了寬帶噪聲頻譜。此外，在比較兩者的光譜形狀時(shí)，發(fā)現(xiàn)其值不同但形狀相似。

這表明信號線和電源線具有相同的噪聲源。

信號線顯示較高的電平，因此SerDes信號很可能是噪聲源。

近磁場分布測量結(jié)果

※由于此測試基板上的直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器不是開關(guān)控制類型，因此不是由開關(guān)噪聲引起的磁場分布。

推測的噪聲傳導(dǎo)路徑如下。

來自Serializer的噪聲傳導(dǎo)路徑（推測）

路徑①: 噪聲傳導(dǎo)至基板GND、電纜的屏蔽層和信號線。

路徑②: 路徑①的噪聲耦合到電源層，噪聲傳導(dǎo)至電源電纜。

從Serializer IC發(fā)送的信號的噪聲成分耦合到基板上的GND層，并以共模方式沿同軸電纜傳導(dǎo)。（路徑①）

噪聲成分傳導(dǎo)至配備了Deserializer IC的基板上，并且通過在基板內(nèi)耦合至電源層，從而沿電源電纜以共模方式傳導(dǎo)。（路徑②）

為了對路徑①實(shí)施對策，安裝了信號用CMCC——DLW21SH391XQ2。

為了對路徑②實(shí)施對策，安裝了電源用CMCC——PLT5BPH5013R1SN。

結(jié)果如下。在30MHz到1000MHz之間，與沒有濾波器的狀態(tài)相比，噪聲被抑制了10到20dB。

30～1000MHz

這里，村田推薦的共模扼流線圈是PLT5BPH5013R1SN和DLW21SH391XQ2。

通過同時(shí)采用這2種對策（下圖），在30MHz到2.5GHz的所有頻率中，最大抑制約25dB的噪聲。

對策①＋②

07. 結(jié)論

1. 對于PoC系統(tǒng)，驗(yàn)證了Bias-T電感器對SI的改善以及CMCC對噪聲的抑制效果。

2. 通過使用具有寬帶特性的電感器（LQW32FT系列），SI得到了改善。

3. 由于電纜對SI的影響不容忽視，因此測試PoC系統(tǒng)的Bias-T電感器時(shí)，最好通過包括電纜在內(nèi)的S參數(shù)特性來進(jìn)行測試。

4. 考慮并驗(yàn)證了直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲對SI產(chǎn)生不良影響的可能性。結(jié)果，確認(rèn)了通過PoC的Bias-T電感器可以減少開關(guān)噪聲。

5. 確認(rèn)了直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲和SerDes信號會成為噪聲源，并可能使輻射噪聲電平惡化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，共模扼流線圈（DLW21S系列）對解決該問題是有效的。

本案例中村田推薦的產(chǎn)品為：偏置T電感器LQW32FT系列，村田推薦的共模扼流線圈PLT5BPH5013R1SN以及DLW21SH391XQ2 / DLW21PH201XQ2。采用村田推薦產(chǎn)品后的優(yōu)化結(jié)果如下圖：

來源： Murata村田中國